基于本地电压比瞬量的直流短路故障检测与定位方法研究

2021-12-28王静孙谦浩刘国伟赵宇明代少君熊天龙

可再生能源 2021年12期

王静,孙谦浩,刘国伟,赵宇明,代少君,熊天龙

（1.深圳供电局有限公司，广东深圳 518020；2.清华大学电机工程与应用电子技术系，北京 100084；3.国网湖北省电力有限公司武汉供电公司，湖北武汉 430013；4.清华四川能源互联网研究院，四川成都 610042）

0 引言

可再生能源的充分利用是解决环境污染问题与实现能源可持续发展的关键与核心[1]。然而，由于自身属性的影响，可再生能源在交流电网中的并网调度与消纳较为困难[2]。鉴于此，具有接入可靠、远距离输电成本低、运行方式多样等优点的基于模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter，MMC）的直流输配电网在可再生能源利用领域备受关注[3]，[4]。尤其是与直流线路短路故障相关的研究，目前已经成为了可再生能源直流外送领域的研究热点之一[5]，[6]。

直流线路短路故障检测、定位、切除及恢复的主要难题在于直流故障发展的快速性[7]，[8]。应用于直流线路故障检测与定位的方法主要有突变量识别法、纵联保护法和行波保护法。其中：突变量识别法主要以故障时幅值或变化率发生突变的量为依据对故障进行判定[9]～[12]；纵联保护法利用故障时直流线路两端的电气量差异对故障进行检测与定位[13]，[14]，其正确性不仅易受直流线路分布式电容的影响[6]，且需要进行通信。纵联保护的快速性在直流故障判定领域面临着一定的挑战[8]；行波保护法主要利用故障发生时暂态行波的相关信息对故障的位置进行判断[15]，[16]。目前，行波保护存在着波头易畸变、随时间衰减及难以捕捉等不足。

鉴于上述现状，为了更有效地实现对连接于MMC的直流线路的短路故障检测与定位，本文提出了一种基于故障限流电抗器电压比瞬时值的故障检测与定位方法，并进行了详细的分析。基于MATLAB/Simulink仿真软件对所提方法的正确性与有效性进行了验证。

1 与MMC相连的直流线路故障特性分析

图1为连接于MMC的直流线路通用结构及其故障等效电路。图1（a）中，MMC换流器采用了传统的半桥结构，每个桥臂均包含N个子模块，为了能够减小直流电流纹波并降低直流故障电流的上升速率，在MMC的正负极直流母线出口处分别配备了直流故障限流电感Ldc。

图1 连接于MMC的直流线路通用结构及其故障等效电路Fig.1 Fault equivalent circuit and general topology of DC line connected with MMC terminal

当直流线路发生故障时，故障电流快速增加，为了保护开关器件，闭锁MMC。鉴于此，MMC的故障行为可以分为闭锁前与闭锁后两种状态。图1（b）给出了双极故障发生后MMC闭锁前的直流侧故障等效电路。此时，故障回路中的等效电感Leq、等效电阻Req以及等效电容Ceq计算式分别为

式中：r0，L0分别为线路单位长度电阻、电抗值；l为故障点的距离；Rf为故障过渡电阻；RSW为MMC中开关器件的等效电阻；CSM为桥臂各子模块的电容值；λ为MMC桥臂电容投切造成的等效系数，取值为[1，2]；Larm为MMC桥臂电感的实际值；Ldc为MMC直流侧所连接的直流故障限流电感实际值；Leq_arm为MMC桥臂电感在直流侧的等效值；Leq_dc为MMC直流侧所连接的直流故障限流电感在直流侧的等效值；Leq_line为故障点到MMC直流端口的线路等效电感值。

基于图1（b）与式（1），直流故障发生后MMC闭锁前，与MMC相连的直流线路的电路方程为

假设直流线路双极故障的发生时刻为0+，则故障发生后MMC闭锁前的电容电压与故障电流（故障电流的交流分量在此阶段由于三相桥臂的能量平衡并不会流入直流侧[10]，[11]，而只会增加桥臂中各开关器件的流通电流）可以计算为

根据图1（b）可知，故障限流电抗器两端的直流电压Udc与Udc1在直流故障后MMC闭锁前的表达式分别为

当保护系统检测到故障后，将会闭锁MMC，此后MMC将进入电感单向放电阶段与交流侧不控整流阶段[10]。由于闭锁后的故障状态与本文的内容相关性较小，因此不再赘述。

2 基于本地电压比瞬时值的故障检测与定位方法原理分析

2.1 基于本地电压比瞬时值的故障检测方法及故障判据整定分析

基于式（6），当直流线路发生短路故障后，在MMC闭锁前，故障限流电感的直流电压比瞬时值RIV（t）为

故障发生时刻0+直流电压比瞬时值RIV（0+）为

也就是说，式（8）中的第2项通常远小于第一项。同时，考虑到稳态运行时故障限流电感两端的直流电压比瞬时值稳定在1附近，而故障发生时刻的直流电压比瞬时值RIV（0+）将小于1，因此基于本地电压比瞬时值的故障判据与整定值应为

故障判据：RIV_m

式中：RIV_m，RIV_set分别为故障限流电感两端直流电压比瞬时值的测量值、整定值；K_set为所提故障检测方法的整定系数，通常为大于1的常数（应避开稳态时直流侧电流谐波所引起的故障限流电抗器电压降）；lline为与MMC相连的直流线路总长度；IN_MMC，UdcN_MMC分别为与直流线路相连的MMC的额定运行电流、电压。

2.2 基于本地电压比瞬时值的故障定位方法

基于式（8），（9），连接于单端MMC的直流线路由于实际参数的限制，式（8）中的第二项可以忽略。在故障发生时刻，故障限流电抗器两端的直流电压比瞬时值的测量值可以简化为

从而可以求得连接于单端MMC的直流线路的故障点与直流母线之间的距离为

由于式（12）中Ldc与L0均为已知值，因此对于连接于单端MMC的直流线路，在本文所提的方法中，根据故障发生时刻的本地电压比瞬时值的测量值，即可计算出故障点的位置。

在包含两端MMC的直流系统中，当直流线路发生故障时，其等效电路如图2所示。

图2 双端MMC系统的直流故障等效电路Fig.2 DC fault equivalent circuit of two-terminal system based on MMC

与式（7）相似，MMC两端直流系统直流线路故障时，可以得到两端的电压比瞬时值分别为

对比式（12）与式（17）可知，不同于单端MMC系统中所提基于本地电压比瞬时值的故障定位方法会受到过渡电阻的微弱影响，在两端MMC直流系统中，所提方法可以有效地消除过渡电阻的影响，并简化故障定位的计算流程。

3 仿真验证及分析

为了对所提故障检测方法以及故障定位方法进行验证，在MATLAB/Simulink仿真平台中搭建了一个两端均为±10 kV/2 MVar MMC换流器的直流输电工程模型，系统结构如图3所示，具体参数如表1所示。

表1 仿真参数Table 1 The table of simulation parameters

采用整定系数K_set=1.3，根据式（10）及表1的参数，可以得到两端MMC的整定值RIVset均为0.6 6。

为了对所提故障定位方法进行验证，本文采用以下指标对所提方法的精度进行验证：

图4给出了直流线路不同位置故障（F1，F2，F3）时，本地电压比瞬时值的测量值的变化。1.2 s前，直流系统工作在额定状态，此时MMC1控制直流电压稳定在±10 kV，MMC2控制功率为2 MW（直流电流为0.1 kA）；1.2 s后，由于故障位置的不同，电压比瞬时值的变化规律也不同。

在图4（a）中，故障发生在F1处，当没有过渡电阻时，MMC1的本地电压比瞬时值在故障发生时刻（1.2 s）将降为0，同时MMC2的本地电压比瞬时值约为0.5，二者均明显小于自身的整定值0.6 6。也就是说，当F1处的故障无过渡电阻时，MMC1与MMC2均只依赖本地电压比瞬时值即可保护直流线路全长。同时，当过渡电阻为1Ω时，MMC1与MMC2的电压比瞬时值的测量值与无故障电阻时基本相同，说明了单端测距近似简化理论分析的正确性。

在图4（b）中，故障发生在F2处，MMC1与MMC2的本地电压比瞬时值在故障发生时刻（1.2 s）将降为0.33左右，二者也均明显小于整定值0.6 6，说明了所提故障检测方法在F2处故障时的有效性。